风力机空气动力学5(载荷与振动)

第3章风力机空气动力学3.1 概述风力机功率的产生仰赖于转子和风之间的相互作用。

如第 2 章所述，风的流动可以看做是由均匀流动和剧烈波动叠加而成。

经验表明，风力机性能（指输出功率和平均负载）的主要是由均匀流动部分产生的气动力所决定。

周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转和由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起，它是疲累负载的来源，也是影响风力机峰值负载的一个因素。

这些当然很重要，但是只有熟悉了稳态运行的空气动力学才能理解。

因此,本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象，关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。

实际设计的水平轴风力机通过桨叶将风的动能转变有用的能量。

本章提供了相关背景材料，帮助读者理解浆叶工作中动力的产生，计算优化叶形，分析已知叶型和浆叶特性的转子的空气动力学性能。

多位作者已经给出了预测风力机转子稳态性能的方法。

古典的风力机分析方法最初是由Betz和Glauert (Glauert, 1935)在20世纪30年代发展的。

随后，理论被发展并且可以使用计算机求解(see Wilson and Lissaman, 1974, Wilson et al., 1976 and de Vries, 1979)。

在所有这些方法中，结合动量理论和叶片微元理论（blade element theory）形成的带流理论，能够计算转子环形截面的工作特性。

本章将运用带流理论，通过对每个环形截面的特性值求积分或求和得到完整转子的特性。

本章首先分析了理想风力机转子，介绍相关的重要概念并阐述了风力机转子及其绕流气体的一般特性。

这些分析也适用于确定风力机的理论极限性能。

之后将介绍一般的空气动力学概念，用于评价利用浆叶产生动力相对于其他方法的优势。

本章的大部分内容详细说明古典分析方法对水平轴风力机的分析，以及一些应用实例和应用。

首先详述了动量理论和叶片微元理论的发展，以及用它计算简单、理想运行状况下的最佳叶型。

风力发电机运行的空气动力学原理解析风力发电机是一种利用风能转化为电能的设备，利用空气动力学原理进行运行。

空气动力学是研究空气在物体表面流动时所产生的力学效应的学科，其中涉及到的流体力学、空气动力学和结构力学等知识领域。

本文将从风力发电机的构成和原理、空气动力学原理以及风力发电机的运行过程等方面对其运行原理进行分析和解析。

首先，风力发电机由风轮、主轴、发电机以及塔架等构成。

其中，风轮是最重要的部件，它是通过空气动力学原理将风能转换为机械能。

风轮主要由叶片、主轴承和转子组成，其中叶片是最关键的部分。

在运行过程中，当风流通过风轮的叶片时，由于叶片的形状和倾斜角度，会使得风流产生一定的压力差，从而使风轮转动。

风轮的转动通过主轴传递给发电机，由发电机将机械能转化为电能。

其次，风力发电机的运行离不开空气动力学原理的支持。

当风流通过风轮的叶片时，由于风流的高速流动和叶片的形状等因素，会在叶片上产生压力差。

根据伯努利定律，当流体速度增加时，压力就会下降，而风轮叶片的形状和倾斜角度使得上表面的流速较快，下表面的流速较慢，从而产生了压力差。

此时，风流将从高压区域流向低压区域，推动风轮转动。

这就是风力发电机利用空气动力学原理来转换风能的过程。

风力发电机使用的是无驱动翼型，即在风流作用下产生升力来推动转子转动。

翼型的选择非常关键，不同的翼型会有不同的气动性能，影响着风力发电机的效率和输出功率。

一般而言，翼型的厚度比例愈小，气动性能愈好，当然翼型的选择还要结合具体的风力工况。

在实际应用中，常用的翼型有NACA系列翼型、稳定翼型等。

最后，风力发电机的运行过程可以简单概括为：当风力达到一定速度时，风轮开始转动，这时发电机开始工作，将机械能转化为电能。

随着风力的增大，风轮的转速也会增加，进而提高了发电机的输出功率。

另外，为了保证风力发电机的安全运行，还需要考虑风轮的稳定性和抗风性能。

在强风条件下，风力发电机会自动启动风刹系统，将风轮停止旋转，以避免因风力过大导致设备损坏。

风力机空气动力学习题答案风力机空气动力学习题答案风力机是一种利用风能转化为机械能的装置，其工作原理基于空气动力学的知识。

在学习风力机空气动力学的过程中，我们常常会遇到一些练习题，下面我将为大家提供一些常见题目的答案，帮助大家更好地理解和掌握风力机的空气动力学。

1. 什么是风力机的主要部件？它们各自的作用是什么？风力机的主要部件包括风轮、轴、发电机和控制系统。

风轮是风力机的核心部件，其作用是将风能转化为旋转机械能。

轴将风轮转动的机械能传递给发电机，使其产生电能。

发电机的作用是将机械能转化为电能。

控制系统用于控制风力机的启停、转向等操作。

2. 风力机的风轮受到风的作用，会产生哪些力？这些力对风力机的性能有何影响？风力机的风轮受到风的作用会产生气动力和惯性力。

气动力包括升力和阻力，其中升力使风轮产生旋转运动，阻力则抵抗风轮的旋转。

惯性力是由于风轮的旋转而产生的离心力。

这些力对风力机的性能有重要影响。

升力的增大可以增加风力机的转速和功率输出，但过大的升力也会导致风力机的振动和噪音增加。

阻力的增大会减小风力机的转速和功率输出。

惯性力的增大会增加风力机的转动惯量，使其响应速度变慢。

3. 风力机的功率输出与哪些因素有关？风力机的功率输出与风速、风轮直径和风轮的效率有关。

风速是影响风力机功率输出的最主要因素，功率输出与风速的关系呈立方关系。

风轮直径越大，受到的风能越多，功率输出也会增加。

风轮的效率是指风能转化为机械能的比例，效率越高，功率输出越大。

此外，风力机的功率输出还与空气密度、风向和风力机的运行状态等因素有关。

4. 什么是风力机的启动风速和切出风速？风力机的启动风速是指风力机开始转动所需的最低风速。

在启动风速以下，风轮无法产生足够的气动力，无法启动。

切出风速是指风力机停止转动的风速。

在切出风速以上，风力机会自动停止运行，以避免受到过大的风力损坏。

启动风速和切出风速是风力机设计和运行的重要参数，合理设置这两个风速可以保证风力机的安全运行和最大化的功率输出。

风力机空气动力学课程风力机，大家肯定都不陌生吧。

说起风力机，可能很多人会想到那些高高的塔架，上面装着一对对大翅膀，在风中呼呼地转个不停。

看着它们，大家或许会觉得它们就像是天上的“风神”，默默地工作，帮我们发电，保护环境。

其实风力机背后的空气动力学，真的是一门有趣又复杂的学问，简单来说，它就像是风与风力机翅膀之间的“舞蹈”，只有双方配合得天衣无缝，才能产生最大的力量。

所以，今天就带大家一起走进这个神奇的世界，聊聊风力机的空气动力学。

我们得说说风力机翅膀到底是怎么工作的。

风力机的翅膀就像是巨大的飞机机翼，它们通过改变空气流动的方向来产生升力。

想象一下，如果你把手伸出车窗外，随着车速加快，你的手会被风推得向上升。

风力机的翅膀也是这个原理，只不过它们的翅膀要设计得更加精巧，能够适应不同的风速，最大化地利用风的力量。

这时候，风吹过翅膀时，空气的流动会因为翅膀的形状而发生改变，一部分气流被迫上升，另一部分则下压，这样一来就会产生一个升力。

升力越大，风力机转得越快，产生的电力也就越多，咱们可以用电的机会也就更多了。

要是你觉得这个过程有点难理解，那我再举个例子。

你看过海上的风车吗？你会发现这些风车并不是一直朝一个方向转的，而是根据风的变化不断调整方向。

这就是风力机背后一个关键的原理——“迎风性”。

简单来说，风力机翅膀总是尽量朝着风的方向转动，这样能确保它每一刻都能最有效地捕捉到风的力量。

如果它不调整方向，风就有可能从侧面刮过，浪费掉大部分能量，转得再快也没有用。

再说说气流的变化。

大家知道，空气并不是均匀的，有些地方空气密度大，风速快；有些地方空气稀薄，风速慢。

风力机的翅膀要面对的就是这种复杂的气流。

就像我们在人群中走路，如果周围有很多人，你就很容易被挤来挤去；但如果人少，路也宽，那你走得就很轻松，没那么费劲。

所以，风力机设计的关键之一就是如何在这些变化的气流中找到最适合的角度，让翅膀在任何风速下都能有最好的表现。

第四章风力发电的空气动力学原理风机叶片在空气中的受力特性与飞机的机翼在空气中的受力相类似，所以对风机叶片的空气动力学研究很多是借鉴了对飞机的翼型的空气动力学的研究技术以及飞机翼型的制造技术。

飞机在空气中运动所引起的作用于飞机上的空气动力取决于空气的物理属性，飞机的几何形状、飞行姿态以及飞机与空气之间的相对速度，因此在讨论空气动力的产生及其变化规律之前，首先来研究空气的基本属性。

空气动力学是关于气流特性的学说，相对于固体而言气体的特性。

空气动力学定律，尤其是旋涡、推力、正面阻力和升力使得飞机可以飞行。

相同的定律对于滑翔也很重要。

空气动力学是一门复杂的科学。

并非在每种具体情况下都可以通过假设计算对特定现象作数字上或理论上的精确说明，因而要利用风洞试验结果。

所以空气动力学也是一门以经验为依据的科学。

气体和液体统称为流体。

气体和液体同固体相比较，分子间引力较小，分子运动较强烈，分子没有一定的排列规律，这就决定了气体和液体具有共同的特性，不能保持一定形状，而具有流动性。

从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和切力的能力。

因而在外力作用下，通常发生较小的变形，而且到了一定程度后变形就停止。

流体由于不能保持一定形状，所以它不能抵抗切力。

当他受到切力作用时，就要发生连续不断变形（即流动）。

这就是流体同固体在力学性质上的显著区别。

气体和液体除了具有上述的共同特性外，还有如下的不同特性：液体的分子跟分子的有效直径差不多是相等的，当对液体加压时，由于分子距离稍有缩小，出现强大的分子斥力来抵抗外压力，这就是说：液体的分子距离很难缩小，可以认为液体具有一定体积，因此通常成液体为不可压缩流体。

一般来说，气体分子间距离很大，例如常温常压下空气的分子距离为3×10-7，其分子有效直径的数量级为10-8厘米。

可见分子距离比分子有效直径大得很多。

这样，当分子距离缩小很多时，才会出现分子斥力。

因此，通常称气体为可压缩流体。

第三章风力机气动力学§3.1 总论风力机功率的产生依赖于转子和风的相互作用。

风由平均风和附加于上的强烈的湍流脉动合成。

风力机的平均功率输出和平均载荷等主要性能由平均气流的气动力决定。

周期性的气动力是疲劳载荷源和风力机峰值载荷的一个因素。

周期性的气动力可以由切变风、偏轴风（off-axis winds）、转子旋转、由空气紊流和动力学影响诱发的随机脉动力引起。

本章首先关注的是稳态运行的空气动力学现象，关于非稳态空气动力学的复杂现象将在本章结尾简要介绍。

本章为读者提供理解翼型产生功率的背景，以计算一个优化的叶片形状作为设计叶片的起点，对已知翼型特性线和叶型的转子分析其气动性能。

本章的大部分内容详细说明了采用古典分析方法分析水平轴风力机。

动量理论和基元叶片理论（blade element theory）构成了片条理论（strip theory）或基元叶片动量理论（BEM）。

以此计算转子环形截面的特性，然后通过积分就可以获得整个转子的特性。

内容分为：1、理想风力机的分析（Betz极限）2、翼型的运行和一般气动力概念3、重点放在水平轴风力机的经典分析方法和一些应用和例子§3.2 一维动量理论和贝兹极限控制体积和理想透平如图，气流通过透平只产生压力不连续，并假设●气流均匀，不可压缩，定常流动●气流无磨擦阻力●透平具有无限多叶片●推力均匀作用在转子叶轮旋转面上●尾流无旋转转子远上游和远下游静压等于无干扰时环境的静压设T 为风作用于风力机上的力，由动量定理可知，透平对风的作用力为：4114()()T m U m U m U U ∙∙∙=---=- (3.2.2) 对于稳态流动，14()()AU AU m ρρ==，m 是质量流量，这里ρ是空气密度，A 是横截面，U 是空气速度。

此外，还由理想流体伯努利方程可知：2211221122p U p U ρρ+=+ (3.2.3) 2233441122p U p U ρρ+=+ (3.2.4)因为14p p =，且通过透平的前后速度一样（23U U =）。

«风力机空气动力学»课程编号:课程名称：风力机空气动力学英文名称：Aerodynamics of Wind Turbine总学时：48 (含实验学时4)总学分：3适用对象: 风能与动力工程专业的本科生先修课程：高等数学及有关的工程数学，理论力学，工程流体力学一、教学目的：本课程是风能与动力工程专业本科生的重要基础理论和技术基础课。

通过本课程学习使学生掌握有关空气动力学的基本概念、空气运动的基本规律，风作用在风力机上空气动力的基本理论，学会必要的分析计算空气动力的方法，掌握一定的实验技能和进行叶片气动设计和风场气动性能评估的初步方法，培养学生独立地分析和求解从风工程中简化出来的具体空气动力学力学问题的能力，为学习后继课程以及从事本专业工程技术工作提供必要的理论基础。

二、教学要求：深刻理解、熟练掌握并能综合应用空气动力学的基本知识、基本方程和方法分析解决一些风能空气动力学问题，进行一般推理和进行较复杂的计算。

理解、掌握基本理论和基本概念，掌握空气动力学问题的处理和分析方法，并能正确而有效地运用所学知识去分析和计算从工程实际问题中简化出来一般问题。

通过实验掌握压强、流速、气动力测量的基本方法和技能，培养学生通过感性认识加强对理论知识的理解，培养学生的实验技能及处理数据、分析结果和书写报告的能力。

三、教学内容：第零章绪论（2学时）0.1 风能利用发展简史0.2 中国风能资源与开发0.3 空气动力学的发展进程简介0.4 风电机组0.5 风力机空气动力学的主要研究内容及研究方法0.6 关于本课程与参考书第一章流体静力学（3学时）1.1 流体属性1.1.1 连续介质的概念1.1.2 流体的易流性1.1.3 流体的压缩性与弹性1.1.4 流体的粘性1.2 作用在流体微团上力的分类1.3 静止流体内任意一点的压强及其各向同性特征1.4 流体静力平衡微分方程1.5 重力场静止液体中的压强分布规律1.6 液体的相对平衡问题1.7 标准大气基本要求：理解连续介质假设、流体的基本物理属性，掌握流体力学中作用力的分类和表达、理想流中压强的定义及其特性，初步掌握静止流体微团的力学分析方法。

风力发电机组的振动分析与抑制方法研究摘要：随着全球对可再生能源需求的增长，风力发电成为一种重要的清洁能源来源。

然而，在风力发电过程中，风力发电机组的振动问题会对其性能和寿命产生不良影响。

因此，本文将对风力发电机组的振动进行了分析，并提出了一些有效的抑制方法。

1. 引言风力发电作为一种可持续发展的能源形式，在全球范围内广泛应用。

然而，由于风能的不稳定性和复杂性，风力发电机组在运行过程中常常会受到各种振动干扰。

这些振动问题不仅会降低风力发电机组的性能，还可能导致设备的损坏和事故的发生。

因此，对风力发电机组的振动进行准确的分析和抑制方法的研究具有重要意义。

2. 风力发电机组的振动分析风力发电机组的振动主要包括旋转部件的振动、塔架的振动和基础的振动。

旋转部件的振动主要源于风力叶片和发电机组的旋转运动，而塔架和基础的振动则主要受到风载荷的影响。

2.1 旋转部件的振动分析风力叶片的振动是风力发电机组振动的重要来源之一。

叶片在高速旋转过程中受到空气动力学力的影响，导致叶片产生振动。

这种振动不仅会对叶片本身产生不良影响，还会通过传导和辐射逐渐传递到整个风力发电机组。

因此，准确分析叶片的振动特性对于抑制风力发电机组的振动问题具有重要意义。

2.2 塔架的振动分析风力发电机组的塔架在运行过程中也会受到风载荷的作用而产生振动。

塔架的振动通常表现为多个模态的共振振动。

因此，从塔架的共振频率和共振模态入手，通过相应的振动模态分析方法，可以有效地预测塔架的振动情况，并采取相应的措施进行抑制。

2.3 基础的振动分析风力发电机组的基础是支撑整个机组的重要组成部分。

基础的振动主要受到机组的旋转部件和塔架的振动传递影响。

在基础的振动分析中，需要考虑不同频率下的振动模式，并通过合理的设计和材料选择来抑制振动的传递。

3. 风力发电机组的振动抑制方法针对风力发电机组的振动问题，研究人员提出了一系列有效的抑制方法。

这些方法主要包括调整叶片和塔架的结构参数、优化控制系统、采用主动控制和减振装置等。

风力发电设备振动噪声及影响因素探究引言：随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种绿色清洁的能源利用方式，得到了广泛应用和关注。

然而，随之而来的振动噪声问题成为了风力发电设备面临的挑战。

本文旨在探究风力发电设备振动噪声的产生原因以及相关影响因素。

一、风力发电设备振动噪声的产生原因风力发电设备振动噪声的产生与以下几个因素有关：1. 风轮叶片的空气动力学风轮叶片在运转过程中会受到气流的作用，从而产生振动。

尤其是在强风条件下，风力发电设备传动系统会承受较大载荷，导致机械振动增加，从而产生更多的噪音。

2. 叶片结构材料和设计叶片的结构材料和设计也会对振动噪声产生影响。

不合理的材料选择和结构设计可能会导致叶片的共振频率附近振动增加，从而产生更多的噪音。

3. 传动系统和机械部件风力发电设备的传动系统和机械部件在运转时可能存在不平衡、摩擦、磨损等问题，这些问题都会使得振动噪声的产生增加。

而且，随着设备运行时间的增长，这些问题会逐渐加剧，进一步提高振动噪声的产生。

4. 地基和支撑结构风力发电设备的地基和支撑结构也会对振动噪声产生影响。

不稳定的地基或不合理的支撑结构可能会导致机械振动传导至地面，产生更强的振动噪声。

二、影响风力发电设备振动噪声的因素探究除了上述振动噪声产生原因外，还有一些其他因素也会对风力发电设备振动噪声产生影响。

这些因素包括但不限于：1. 风速和风向风速和风向是影响风力发电设备振动噪声的重要因素之一。

在高风速条件下，气流对设备的作用力增加，从而导致振动噪声增大。

2. 温度和湿度温度和湿度的变化也可能会对风力发电设备的振动噪声产生影响。

例如，高温和高湿度可能导致设备结构膨胀，增加振动噪声。

3. 设备运行状态和维护水平设备的运行状态和维护水平对振动噪声也产生重要影响。

设备处于正常运行状态并经过定期维护能够降低振动噪声的产生。

4. 噪声控制措施采取噪声控制措施也是减少振动噪声的有效手段。

例如，采用减震措施、隔音材料以及减少旋转部件与机械接触等方法可以有效降低振动噪声的产生。